روش ادغام سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی، ذخیره‌سازی باتری و ترانسفورماتورهای توزیع در یک ریزشبکه

ریزشبکه اغلب با منابع آن — آرایه‌های فتوولتائیک و رک‌های باتری — توصیف می‌شود، اما تجهیزاتی که تعیین می‌کند آیا این منابع واقعاً به‌خوبی با یکدیگر عمل می‌کنند، در وسط قرار دارند: «کنترل‌کنندهٔ تبدیل توان». ترانسفورماتور در حالت اتصال به شبکه، این تجهیز یک کانال توان است. در حالت جزیره‌ای، بخشی از مرجع ولتاژ و فرکانس کل سیستم می‌شود. بنابراین، تنظیم صحیح رابطهٔ بین فتوولتائیک، کنترل‌کنندهٔ تبدیل توان، ترانسفورماتور و بار، صرفاً یک جزئیات خرید نیست؛ بلکه تصمیمی معماری است که پایداری، بازدهی و طول عمر ریزشبکه را تعیین می‌کند.

زنجیرهٔ الکتریکی: فتوولتائیک، کنترل‌کنندهٔ تبدیل توان، ترانسفورماتور، بار

یک ریزشبکهٔ معمولی با اتصال متناوب (AC-coupled) دنباله‌ای روشن از مراحل را طی می‌کند. رشته‌های فتوولتائیک (PV) جریان مستقیم (DC) را به سیستم تبدیل توان (PCS) تغذیه می‌کنند که شامل اینورتر و در طرح‌های ولتاژ متوسط، ترانسفورماتور افزاینده نیز می‌شود. خروجی PCS به ولتاژ متوسط افزایش یافته، جمع‌آوری شده و سپس در سمت بار از طریق ترانسفورماتورهای توزیع، به سطح پایین‌تری کاهش می‌یابد. ذخیره‌سازی باتری از طریق یک PCS دوطرفه به همان اتوبوس AC متصل می‌شود که امکان جریان توان شارژ و دشارژ را در هر دو جهت فراهم می‌سازد.

نقش ترانسفورماتور بسته به محل نصب آن متفاوت است. ترانسفورماتورهای افزایشی در سمت تولید عمدتاً برای کاربردهای تولید انرژی به کار می‌روند و ولتاژهای سطح اینورتر (۴۸۰ تا ۶۰۰ ولت) را تا ۱۰ کیلوولت، ۳۴٫۵ کیلوولت یا بالاتر برای جمع‌آوری و انتقال افزایش می‌دهند. تранسفورماتورهای توزیع در سمت بار عملکرد معکوس را انجام می‌دهند و ولتاژ متوسط را به سطوح مصرفی کاهش می‌دهند. در یک ریزشبکه، هر دو عملکرد باید همزمان وجود داشته باشند و اغلب یک ترانسفورماتور واحد باید جریان توان را در *هر دو* جهت پشتیبانی کند — بسته به اینکه آیا سیستم PV در حال صادرات انرژی است یا باتری در حال شارژ شدن.

اندازه‌گیری ترانسفورماتور در برابر خروجی اینورتر

ظرفیت ترانسفورماتور نباید به‌صورت ساده‌ای یک‌به‌یک از ظرفیت اسمی اینورتر کپی شود. در روش‌های صنعتی، ضریب اضافه‌اندازه‌گیری تقریبی بین ۱٫۱۰ تا ۱٫۲۵ بر خروجی اسمی AC اینورتر اعمال می‌شود که با توجه به دمای محیط و ارتفاع از سطح دریا تنظیم می‌گردد. منطق این امر ساده است: اینورترها موقتاً می‌توانند بار اضافی تحمل کنند، جریان‌های هارمونیک بار حرارتی اضافی ایجاد می‌کنند و ترانسفورماتور باید در حالت جزیره‌ای (islanded mode) توان راکتیو را بدون اشباع شدن منتقل نماید.

در عین حال، ظرفیت اسمی kVA ترانسفورماتور باید برابر یا بیشتر از مجموع خروجی اسمی تمام اینورترهای متصل به آن باشد — این حداقل الزامی برای هماهنگی حفاظت‌ها و تنظیم ولتاژ است. برای یک بلوک فتوولتائیک ۱ مگاواتی، ترانسفورماتور افزایندهٔ ۱۲۵۰ kVA رایج‌ترین انتخاب است؛ کاهش ظرفیت ترانسفورماتور به‌منظور صرفه‌جویی در هزینه اغلب منجر به ایجاد گلوگاه حرارتی می‌شود، به‌ویژه زمانی که تولید فتوولتائیک و تخلیه باتری همزمان رخ می‌دهند.

هارمونیک‌ها، جریان معکوس، و تنش حرارتی

مبدل‌های فتوولتائیک و واحدهای کنترل تبدیل باتری منابع غیرخطی هستند. وقتی تعداد زیادی از این واحدها روی یک ترانسفورماتور مشترک کار می‌کنند، جریان‌های هارمونیک بر هم انباشته شده و تلفات اضافی وابسته به فرکانس را در پیچش‌ها و هسته‌ها ایجاد می‌کنند. این مشکل با افزایش نفوذ سیستم‌های فتوولتائیک تشدید می‌شود: جریان معکوس با افزایش نفوذ سیستم‌های فتوولتائیک، ترانسفورماتور ممکن است ساعت‌ها انرژی را به سمت شبکه یا نقطه اتصال مشترک صادر کند؛ شرایطی که ترانسفورماتورهای توزیع معمولی برای آن بهینه‌سازی نشده‌اند.

کارهای تجربی و مدل‌سازی، پیامدهای حرارتی این پدیده را نشان می‌دهند. در حالت جریان معکوس با بار کامل همراه با اعوجاج هارمونیک، امید به زندگی ترانسفورماتور تقریباً 8.3%کاهش می‌یابد و نقاط داغ به گونه‌ای جابه‌جا می‌شوند که پیری عایق را تسریع می‌کنند. در ریزشبکه‌هایی که به‌طور مکرر بین حالت واردکردن و صادرکردن انرژی جابه‌جا می‌شوند، بار چرخه‌ای اهمیت بیشتری نسبت به بار میانگین دارد: پیری حرارتی بر اساس دمای اوج و تعداد چرخه‌ها تجمع می‌یابد، نه بر اساس میانگین روزانه‌ای هموار.

ترانسفورماتورهایی که برای سرویس ریزشبکه مشخص شده‌اند، باید دارای طراحی با ضریب K یا مقاوم در برابر هارمونیک‌ها، سیستم خنک‌کنندگی کافی و سیستم عایق‌بندی با رتبه‌بندی مناسب برای چرخه‌های تکراری تغییر دما باشند — نه اینکه صرفاً یک واحد توزیع استاندارد با برچسب kVA بالاتر باشند.

متصل به شبکه در مقابل جزیره‌ای: دو ماشین متفاوت در یک قاب

در حالت عملیاتی متصل به شبکه، شرکت تأمین انرژی ولتاژ و فرکانس را تعیین می‌کند؛ ترانسفورماتور عمدتاً توان را منتقل می‌کند و عزل گالوانیکی فراهم می‌سازد. لحظه‌ای که نقطه اتصال مشترک باز می‌شود، شرایط پویا تغییر می‌کند. ترانسفورماتور ممکن است نیاز داشته باشد با سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS) و اینورترهای فتوولتائیک (PV) همکاری کند تا ولتاژ و فرکانس را تثبیت کند ، جریان ورودی مغناطیسی را جذب کند و جریان‌های راه‌اندازی موتور را که قبلاً توسط شبکه اصلی تأمین می‌شد، تحمل کند.

اتصال به زمین مهم‌ترین تفاوتی است که اغلب نادیده گرفته می‌شود. هنگامی که ریزشبکه به‌صورت جزیره‌ای عمل می‌کند، مرجع اتصال به زمین نوترال شبکه از بین می‌رود. بدون یک ترانسفورماتور ارتینگ در این حالت، اتصال کوتاه تکفاز به زمین مسیر بازگشتی با امپدانس پایین ندارد؛ بنابراین سیستم حفاظت ممکن است خطا را تشخیص ندهد و افزایش ولتاژ می‌تواند عایق‌ها را تحت تنش قرار دهد. انتخاب امپدانس نیز به همان اندازه حائز اهمیت است: ترانسفورماتور با امپدانس پایین، تنظیم ولتاژ را دقیق‌تر می‌کند اما جریان خطا را افزایش می‌دهد و این امر لزوم بررسی مجدد رتبه‌بندی تمام قطع‌کننده‌ها و تجهیزات توزیع در ادامهٔ مسیر را اجباری می‌سازد. بنابراین، ترانسفورماتور ریزشبکه باید در برابر دو شرایط عملیاتی—باردهی عادی هنگام اتصال به شبکهٔ اصلی و پشتیبانی از ولتاژ و خطا در حالت جزیره‌ای—تعیین شود، نه صرفاً یکی از آن‌ها.

برنامه‌ریزی رابط‌ها و مرزهای مسئولیت

یکپارچه‌سازی فنی از نظر تجاری زمانی شکست می‌خورد که مرزهای مسئولیت مبهم باشند. نقطهٔ اتصال مشترک (PCC) جدا سازی فیزیکی و قراردادی طبیعی است: اپراتور سیستم توزیع، شبکه را تا نقطه اتصال مشترک (PCC) مدیریت می‌کند و اپراتور ریزشبکه همهٔ چیزهای پشت آن را مدیریت می‌کند. با این حال، در عمل مالکیت خط اتصال، ایستگاه افزایش ولتاژ و دارایی‌های توزیع اغلب نامشخص است و مسئولیت سرمایه‌گذاری برای تقویت شبکه که توسط ریزشبکه ایجاد می‌شود، اغلب مورد مناقشه قرار می‌گیرد.

یک طرح رابط کارآمد، چهار مورد را به‌صورت صریح تعیین می‌کند: مالکیت تجهیزات (مالک ترانسفورماتور، تجهیزات قطع و وصل و رله‌های حفاظتی کیست)، اختیار تنظیم (کیست که تنظیمات حفاظت و کنترل در نقطه اتصال مشترک (PCC) را انجام می‌دهد)، مسئولیت آزمون (کیست که تشخیص جزیره‌ای‌شدن و عملکرد زمین‌کردن را راه‌اندازی می‌کند) و مرزهای داده و کنترل (آنچه کنترل‌کننده ریزشبکه می‌تواند دستور دهد در مقابل آنچه شرکت توزیع برق حفظ می‌کند). تجهیزاتی که امکان تفکیک فیزیکی واضح را فراهم می‌کنند — شامل تابلوهای قطع‌ووصل فشرده، بازوهای ترانسفورماتور زمین‌گیری اختصاصی و بسته‌های ترانسفورماتوری با رابط‌های حفاظتی تعریف‌شده — اصطکاک را که در غیر این صورت در طول آزمون‌های راه‌اندازی و جزیره‌سازی ظاهر می‌شود، کاهش می‌دهند.

جایی که انتخاب تجهیزات، استراتژی ادغام را تعیین می‌کند

الزامات فنی فوق بر روی مجموعه‌ای کوچک از تصمیمات مربوط به تجهیزات همگرا می‌شوند. ترانسفورماتورهای افزایش‌دهنده ولتاژ سلول‌های خورشیدی و زیرایستگاه‌های فشرده نیازمند تحمل هارمونیک، حاشیه‌های حرارتی برای توان معکوس و طراحی مبتنی بر عامل K هستند. تранسفورماتورهای توزیع در سمت بار نیازمند پیکربندی‌های امپدانس و زمین‌گیری سازگار با سطوح اتصال کوتاه در حالت جزیره‌ای هستند. دستگاه های سوئیچ باید حفاظت را در دو حالت منبع — شبکه عمومی و تولید جزیره‌ای — هماهنگ کنند، بدون اینکه پس از هر تغییر حالت نیاز به بازتنظیم ظرفیت داشته باشند.

ادغام این قابلیت‌ها در بسته‌های مهندسی‌شده، نه خریداری آن‌ها به‌صورت اجزای مستقل، مسیر را از تعریف مشخصات تا اجرای یک ریزشبکهٔ قابل اعتماد که بتواند به‌طور مستقل کار کرده و دوباره به شبکه متصل شود، کوتاه می‌کند. ترانسفورماتور پرنمایان‌ترین دارایی در یک ریزشبکه نیست، اما تنها جزئی است که مشخصات آن به‌صورت ناشناس تعیین می‌کند آیا سیستم‌های فتوولتائیک، ذخیره‌سازی انرژی و بارها به‌عنوان یک سیستم یکپارچه یا به‌صورت مجموعه‌ای از اجزای جداگانه عمل می‌کنند.

سناریوهای کاربردی

پرسش‌های رایج

ضریب اضافه‌اندازه‌گیری (اورسایزینگ) مناسب برای تطبیق ترانسفورماتور با خروجی اینورتر فتوولتائیک چقدر باید باشد؟

روش‌های رایج در صنعت توصیه می‌کند که خروجی نامی AC اینورتر را با ضریب ۱٫۱۰ تا ۱٫۲۵ افزایش دهید، که این مقدار باید با توجه به دمای محیط و ارتفاع از سطح دریا تنظیم شود. این افزایش ظرفیت برای پوشش بارهای اضافی کوتاه‌مدت اینورتر، افزایش گرمایش ناشی از هارمونیک‌ها و نیازهای توان راکتیو در حالت جزیره‌ای در نظر گرفته می‌شود.

هارمونیک‌های ناشی از اینورترهای فتوولتائیک و باتری چگونه عمر ترانسفورماتور را تحت تأثیر قرار می‌دهند؟

جریان‌های هارمونیکی ناشی از منابع غیرخطی روی ترانسفورماتور اعمال می‌شوند و باعث ایجاد تلفات اضافی وابسته به فرکانس در سیم‌پیچ‌ها و هسته می‌گردند. در شرایط جریان معکوس در بار کامل همراه با اعوجاج هارمونیکی، انتظار می‌رود عمر مفید ترانسفورماتور حدود ۸٫۳ درصد کاهش یابد. طراحی‌های مبتنی بر عامل K یا طراحی‌های تحمل‌کننده هارمونیک برای کاربردهای ریزشبکه ضروری هستند.

تفاوت اصلی بین عملکرد ترانسفورماتور در حالت متصل به شبکه و حالت جزیره‌ای چیست؟

در حالت متصل به شبکه، شرکت توزیع برق ولتاژ و فرکانس را تعیین می‌کند، در حالی که ترانسفورماتور توان را منتقل می‌کند و عزل را فراهم می‌سازد. در حالت جزیره‌ای، ترانسفورماتور باید همراه با سیستم ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS) و اینورترهای فتوولتائیک (PV) کار کند تا ولتاژ و فرکانس را ثابت نگه دارد، جریان‌های ضربه‌ای مغناطیسی را جذب کند و در برابر جریان‌های راه‌اندازی موتور که قبلاً از شبکه اصلی تأمین می‌شدند، مقاومت کند.

چرا ترانسفورماتور اتصال به زمین در یک ریزشبکه جزیره‌ای ضروری است؟

هنگامی که ریزشبکه به حالت جزیره‌ای درمی‌آید، مرجع اتصال به زمین خنثی شرکت توزیع برق از بین می‌رود. در غیاب ترانسفورماتور اتصال به زمین، اتصال یک فاز به زمین مسیر بازگشتی با امپدانس پایین ندارد؛ بنابراین سیستم حفاظت ممکن است خطا را تشخیص ندهد و اضافه‌ولتاژ می‌تواند عایق‌بندی کل سیستم را تحت تنش قرار دهد.

مرزهای مسئولیت بین اپراتور ریزشبکه و شرکت توزیع برق چگونه باید تعریف شوند؟

نقطهٔ اتصال مشترک (PCC) به‌عنوان جداسازی طبیعی عمل می‌کند. یک طرح قابل‌اجرا به‌صورت صریح مالکیت تجهیزات، اختیار تنظیم حفاظت‌ها، مسئولیت آزمون تشخیص جزیره‌ای و ارتینگ، و مرزهای داده‌ها و کنترل بین کنترل‌کنندهٔ ریزشبکه و شرکت برق‌رسانی را تعیین می‌کند.

123